非線形フォトニクス研究室
数理物質科学研究科 電子・物理工学専攻
理工学群 応用理工学類（応用物理主専攻）

服部・加納・游 研究室
http://www.bk.tsukuba.ac.jp/~thz/非線形フォトニクスとは
 強いレーザー光を物質に照射すると，新しい波長の光を発生させたり，物質の新しい状態を作り出したりすることができます。
そのような“非線形光学現象”を，さまざまに応用するための研究をしています。

研究テーマ 生体組織，生体関連物質などのテラヘルツ

分光：水分子の動きを観る
 テラヘルツ導波路構造を用いたセンシング
 新しいテラヘルツ測定技術の開発
 非線形ラマン分子イメージングによる新規病理診断法の開拓
 iPS細胞の分化過程及びリプログラミング過程の研究
 褐色脂肪細胞の脂肪燃焼過程の研究
 皮膚ランゲルハンス細胞の研究
 石油を産生する藻類の新しい評価法の開発

研究室概要







教授

服部 利明
hattori@bk.tsukuba.ac.jp, 3F625
助教
游 博文
you.borwen.gt@u.tsukuba.ac.jp, 3F530
准教授 加納 英明
hkano@bk.tsukuba.ac.jp, 3F607
学生 博士課程前期(修士)11名
博士課程後期(博士)2名(他研究科を含む)
卒業研究生
6名
研究生
2名
（以上2019年度春）
実験室
3G217, 3G411, 理科系D205
学生居室
3G216, 3M408
最近の卒業生の就職先
浜松ホトニクス，東京エレクトロン，リコー，パナソニック，NTT東日本，テルモ，シークス，アイシン・エィ・ダブリュ，島津製作所，全国銀行協会，花王，東芝メディカル，JR東日本，NHK，古河電工，カシオ計算機，三機工業，旭硝子，東京電力，豊田中央研究所，芝浦メカトロニクス，住友重機，電気安全環境研究所，Ruhr-Univ. Bochum，ミツトヨ，北海道電力，Southampton Univ.，富士テクニカルリサーチ，富士通，アイレップ，シャープ，ブイ・テクノロジー，旭化成，ワンビシアーカイブズ，キヤノン，東芝，JR東日本，富士重工，住友生命，住友化学

非線形光学現象の例
 和周波発生・差周波発生
ω1 , ω2 ⇒ ω3 = ω1 + ω2
ω1 , ω2 ⇒ ω4 = ω1 − ω2 光混合

テラヘルツ波発生

ω1 , ω2 , ω3 ⇒ ω4 = ω1 − ω2 + ω3

 多光子吸収・多光子発光ωω

コヒーレント・ラマン散乱

テラヘルツ波とは「電波」

テラヘルツ・ギャップ

エレクト
ロニクス

「光」
フォトニクス「電波」と「光」の間の未開拓領域の電磁波
電波
波長が長い。
エネルギーが低い。
回折が大きい。

テラヘルツ波
0.03～12 THz

光
波長が短い。
エネルギーが大きい。
直進性が強い。

テラヘルツ波の応用
 イメージング
安全検査，製品検査，医療診断
薬物，危険物，半導体，医薬品，・・・・
布，紙などを透過。水，金属などで吸収・反射。
エックス線に比べて安全。物質の特定が可能。

 分光測定生体関連物質，半導体，宇宙，環境，・・・・

 大容量通信テラヘルツ分光装置
From optical chopper

Lock-in amp.

Balancedetector

WP

Pellicle
Sample space

To delay stage

PM3PM6ZnTe

PM4PC

λ/4

Wire grid

Aperture
SiPM5OWInAs

PM1PM2
To lock-in amp.
Optical chopper

N2 purge box

GTPOW
M

Pump pulse ↑← Probe pulse

BSTo PCM

M

Delay stage

Ti:Sapphire laser
10.5 fs 780 nm 500 mW

テラヘルツイメージング
テラヘルツ高速ビデオ

幅・間隔が2mmの金属配列

テラヘルツ波による画像

t = 0 ms

2 ms

4 ms

6 ms

8 ms

10 ms

12ms

14 ms

16 ms

18 ms

20 ms

22 msテラヘルツ波で皮膚を観る
角層（0.02 mm）
表皮（0.1～0.3 mm）
コラーゲン、エラスチン等により構成される真皮（2～3 mm）
皮下組織

真皮は皮膚のハリに関与
加齢等によって水の状態が変化するのでは？
65Im [ε]4各含水率での真皮の誘電率スペクトル

384%
62%
41%
20%
11%
PBS

2100.51.0

1.5Frequency (THz)2.0テラヘルツ波でゲルを観る
・アガロース： 寒天の主成分，多糖類

・アガロースゲルでは，高分子が3次元の網目構造を形成し，水を包含している。
アガロースゲル高分子
アガロース分子の構造変化

溶媒生体分子などの水和
 溶液中で溶質分子は，溶媒分子と静電力や水素結合などで相互作用し，安定化される。これを，溶媒和（水の場合は水和）という。
 溶質分子の近傍の水分子は，純粋な水の分子とは異なる性質を持つ。
 生体分子の機能は，水和水との協奏的作用によって発現する。
 テラヘルツ分光測定によって，水和水の動的性質を直接的に観測することがlayer A できる。
タンパク

layer B ポリマーの水和Advanced THz Optics-1

Research purpose-1: System on the chips
Knowledgebackground:1) Integrated Optics
2) Integrated Sensors

Advanced THz Optics-II
Research purpose-I1: Artificial materials

Knowledge background:1) Optical thin-filmengineer2) Optical properties ofmaterials3) Photonic/plasmonicstructures

Advanced THz Optics-III

Research purpose-III: Fiber sensing technology
Knowledge background:
1) Fiber Optics
2) Ultrafast Optics
3) Time-DomainSpectroscopyラマン分光で拓く
新しい生命・医科学
筑波大学・数理物質系・物理工学域
加納 英明

ラマンスペクトルは“ 分子の指紋”
分子のもつ様々な化学結合を識別
ω1ω1

ωRamanωRaman

タンパク質

相対強度

http://www.stemcellsinc.com/
Science/Stem-Cells-101.htm

細胞全体

RNA
DNA

ラマン散乱は、とても弱い

脂質（通常の光散乱（レイリー散乱）の1/10000）
1800

1600

1400

1200

1000

800

ラマンシフト / cm-1 （分子振動の振動数）
ラマンスペクトル； I. Notingher, Sensors 7, 1343 (2007).

白色レーザーによる非線形ラマン散乱
白色レーザーの利用（JSPS二国間共同研究）

coherent anti-Stokes
Raman scattering
白色レーザーで(CARS)

タンパク質

脂質

核酸塩基

merged分子振動を強制励振

ωCARS
ωCARS
ωCARS
ωCARS
ωCARS
ωCARS
ωCARS
2007~・分子振動を強制的に励振→ 信号強度の増幅・非線形光学効果→ 超解像・近赤外光励起→ 非破壊・非侵襲測定
M. Okuno et al,Angew. Chem. Int. Ed. 49, 6773 (2010);
PLoS ONE 9, e93401 (2014).

http://www.stemcellsinc.com/Science/Stem-Cells-101.htm

ω1 ω2

ω1

ωCARS

CARSの生命科学・医学応用
iPS細胞（本学医学部 久武研究室及びつくば理研 林研究室とコラボ）
幹細胞の分化過程及びリプログラ
ミング過程の可視化を目指して眼組織（本学附属病院 眼科教室:大鹿先生・加治先生とコラボ）

新しい眼診断を目指して

分子の指紋でラベルフリー・イメージング
藻類（本学生命環境:渡邉先生とコラボ）

CARS

藻類の“石油”の質を評価
光学像TAG

スクアレン

病理組織（本学附属病院 診断病理教室:野口先生とコラボ）

新次元細胞診を目指して

悪性リンパ腫5 µm

より詳しくは

http://www.tsukuba.ac.jp/notes/036/index.html